Mercedes-Benz公司用于中重型载货车的新型天然气发动机

【德】 K.Hoffmann M.Benz M.Weirich H.O.Herrmann

1 新发动机系列

近几年，Mercedes-Benz公司已用2种新开发的发动机系列替代了其整个载货车柴油机型谱［1，2］，新发动机机型不仅满足欧6排放标准，燃油耗也达到了国际领先水平［3］。Mercedes-Benz公司为有环保要求的用户和地区提供M936G天然气机型，该新机型首先搭载于欧6Econic车型，专门满足地区性的环保要求。

2 开发目标

M936G型天然气发动机最重要的开发目标是以一种新机型来替代2种老机型（图1）。2000年以来，Mercedes-Benz公司以900和400系列6.9或12L排量柴油机为基础研发的天然气发动机在市场上取得了成功，这些机型都被设计成稀薄燃烧发动机，排放达到欧5-EEV（环保型汽车，其废气排放优于欧5）废气排放标准。由于2014年实施欧6排放标准，这些机型必须重新开发。Mercedes-Benz公司以OM93x柴油机系列为基础进行开发，目标是尽可能继承柴油机的零部件和特性值，使柴油机系列与M936G天然气发动机系列之间具有互换性。这种天然气机型能用于搭载220kW柴油机机型适用的所有车型［1］。所以，这款天然气发动机既要满足废气排放法规和小型化或提高功率等要求，同时仍要达到开发目标，即至少保持2种老机型的燃油耗，以及使用压缩天然气（CNG）的CO2排放量比使用柴油时降低25%。发动机和废气后处理系统可靠并有利于降低运行成本，采用λ＝1运行方案与废气再循环相结合，不仅可以使用三效催化转化器，而且能达到良好的效率，并在运行范围内低于柴油机的噪声水平。

3 发动机结构

气缸体曲轴箱和气缸盖的几何形状和尺寸与OM936柴油机相同，并按照CNG运行情况进行调整，并把废气再循环内的增压、增压空气管路、点火和混合气准备等所必需的零部件进行匹配调整。图2示出了计算机辅助设计（CAD）彩图及带有天然气管路及其执行器的天然气发动机。CNG通过20MPa压力的燃油罐喷出，在气体压力调节器中释放压力后进入CNG进气阀，6个进气阀将CNG经过1根公共管道释放到混合器中，并与新鲜空气流混合。空气在增压器的压气机中被压缩，并经增压空气冷却器冷却后，由节流阀根据功率进行调节。再循环废气在CNG混合器中被引入EGR混合器，所得到的混合气被输送到增压空气罐中。发动机废气有部分经过EGR冷却器、EGR阀和EGR混合器掺入到CNG-空气混合气中。

废气质量流量的主要部分流经双流道涡轮增压器产生增压压力。涡轮后有前置催化转化器，降低一部分废气排放。废气从前置催化转化器通过汽车上专用的废气管道流入主催化转化器，并进一步降低到欧6排放限值水平。以化学计量比混合气运行需要使用1个三效催化转化器，采用选择性催化还原（SCR）系统进行氮氧化物（NOx）后处理车载诊断系统（OBD）需要第2个λ传感器来监测废气后处理状况。为了保护发动机免受爆燃燃烧的影响，集成了爆燃传感器和爆燃调节功能，并根据测量温度来监控废气温度。

4 功率特性

M906LAG与M447hLAG机型的排量相差5L，对于开发M936G天然气发动机颇具挑战［4］。图3示出了新开发的M936G天然气发动机与2种老机型特性值的比较。与M906LAG机型相比，排量增加12%，扭矩增大14%，功率增加8%；与M447hLAG机型相比，排量降低36%，扭矩减小4%，功率减小8%。

与柴油机一样，M936G天然气发动机的最大扭矩为1200N·m，功率提高到222kW。考虑到变速器的要求，全负荷特性曲线的差别很小，图4示出了天然气和柴油机型之间的差异。此外，考虑到冷却系统最大热负荷，与功率为220kW的OM936柴油机相比，M936G天然气发动机的额定转速降低到了2 000r／min。

?

M936G天然气发动机通过夏季和冬季的耐久运行和行驶试验确保了发动机在汽车上的使用，在-26℃温度时不采用其他方法就能起动，已成功搭载Econic车型在2 800m海拔高度地区拖挂23t，并在增加8%的拖挂质量下，完成了起步和行驶运行。

5 燃烧过程

燃烧过程中使用柴油机的活塞毛坯和气缸盖的进气部分，为实现28.8kW／L升功率，选择了米勒燃烧过程，在不损失功率的情况下，放弃部分气缸充量，并采用化学计量比，无需过量的空气。废气涡轮增压器是为高增压压力设计的，而预压缩的空气在增压空气冷却器中冷却，从而达到较低的压缩终了温度，降低燃烧峰值温度和废气温度，较低的温度水平有利于零部件热负荷的耐久性和抗爆燃性能。燃烧室凹坑的几何形状和尺寸通过多个方案在单缸试验机上进行优化，以改善爆燃和废气温度状况。高充量扰动水平有利于提高燃烧速度，获得EGR高兼容性。通过应用EGR降低了峰值温度并减少了壁面热损失，同时提高了效率，减少了进入零部件中的热量，并降低了废气温度（图5）［5］。当活塞向上运动时，气缸盖底面与横向间隙之间的涡流被压缩，并被挤向燃烧室中间的火花塞，因充量具有高扰动和良好的均质化，提高了燃烧和放热速率。在一定的充量扰动程度或者EGR兼容性的情况下会产生一个目标冲突，气缸中的流动场必须保持适当，既能减少热损失，又有利于提供良好的点火条件。

6 空气和天然气管理

在开发时特别重视空气／废气与CNG的混合，获得尽可能良好的均质化。空气与CNG的混合是在混合器中进行的，并与EGR分开。出于可靠性的原因，CNG采用几个CNG喷射阀通过中央进气管喷气方式供应发动机，若有1个CNG喷射阀发生故障，仅使发动机功率降低，不会导致汽车停车。CNG和EGR废气在1个复合管中导入，在管中就已达到了气体流动的均质化，采用这种方法能使增压空气罐中3个气体均匀分布，从而使各个气缸获得均匀的混合气。另一方面，混合气导入要保证各个气缸获得均匀的充量，流入增压空气罐有助于各个气缸获得均匀的混合气充量，通过仔细的优化步骤使气缸充量保持一致。

采用化学计量比运行的汽油机的质量流量明显比柴油机小，因此在计算时和试验中废气涡轮增压器的涡轮和压气机的流量特性值设计必须比柴油机小，特别是在质量流量较小的情况下，涡轮增压器的加速响应特性与发动机充气效率决定发动机低转速时的动态加速性能。正如柴油机那样，M936G天然气发动机的增压器也具有不对称的涡轮几何形状［6］，采用这种具有2股分开运行、大小不同的废气流，仅有3个气缸（废气流）的废气动压头用于EGR，剩余的3个气缸（λ废气流）在某些特性曲线场范围内处于正扫气压差之下，而用于EGR的另外3个气缸则可能处于负扫气压差状况。

为了建立起EGR废气流的动压头，涡轮中的废气流必须降低，这通常会导致废气背压提高，在发动机无需EGR运行时不宜出现。为了消除发动机的节流，在增压器的EGR废气流中集成了第2个废气放气阀，在无需扫气压差时使用放气阀能明显地降低废气背压，其位置的调节应使EGR扫气压差和预先控制的增压压力之间达到最佳状态。发动机扭矩通过质量流量来调节，并根据再循环的废气质量流量的目标参数，将驾驶员所期望的扭矩转换成所需的进气管压力，而进气管压力则由节气门和废气放气阀来调节，直至进气全负荷状态。

在应用高压EGR的情况下，增压压力的调节是调节技术优化的问题，因为EGR废气的热焓不再用于产生增压压力，从而提高了对增压压力的需求，必须找到1个最佳的调节量，使增压压力和EGR率同时被调节到所期望的数值。如可变几何截面涡轮（VTG），通过2股废气流的设计和第2个废气放气阀，较好的解决了此类问题，因此在同时调节增压压力的情况下优先调节EGR率。图6示出了使用废气放气阀和气体控制阀的特性曲线场范围，以及具有2个电动废气放气阀调节的废气涡轮增压器。

7 废气排放和动力性能

随着欧6废气排放法规的实施，废气排放标准已经相当严苛，天然气发动机通过燃料显示出比柴油机更好的CO2减排潜力［4］，同等条件下的柴油机CO2排放比M936G天然气发动机高1.2倍多。因此在高负荷时M936G的减排优势超过20%，甚至在有节流的部分负荷时M936G天然气发动机的CO2排放比柴油机低约10%。与12L的OM447hLAG相比，部分负荷时CO2排放的优势高达30%，M936G天然气发动机CO2排放低1.3倍多（图7）。

与固定式气体发动机相比，M936G天然气发动机也是非常高效的，在大型发动机的分散带中处于气缸直径机型中非常好的位置，位于按化学计量比设计的发动机上方稀薄运行发动机范围的边缘（图8）。

M936G天然气发动机已通过欧6废气排放C级认证，排放已满足颗粒数和氨（NH3）的排放限值。在各种重要的试验循环中，新的欧6气体发动机的氮氧化物（NOx）比欧5-EEV（环保型汽车）稀薄运行发动机低得多，而且无需其他辅助材料。采用SCR时需使用尿素水溶液催化还原剂AdBlue。

图9示出了分别使用G25和Gr试验气体燃料经认证的比排放。这些标准燃料大部分由甲烷（Gr 87%，G25 86%）组成。Gr含有13%乙烷，属于低甲烷数的气体燃料，G25含有14%惰性气体氮，属于低热值气体燃料。与OM447hLAG发动机的239.1 g／（kW·h）燃油耗相比，使用热值为39MJ／kg的气体燃料的最佳点燃油耗降低到230.8g／（kW·h），而与M960LAG发动机相比，虽然功率有所提高但燃油耗不变，而用户使用的实际燃油耗则要根据发动机的使用状况而定。

M936G天然气发动机还有1个重要的开发目标，必须比相同功率的柴油机具有更低的噪声排放，从开发结果可知，在整个转速范围内其噪声水平降低约2%（图10）。

按发展趋势而言，排量较大的发动机具有较好的动态性能，在实际使用中动态性能与老机型的比较对于发动机的实际使用具有重要意义。图11示出了具有传动系统的试验汽车之间起步性能的比较，其中1辆整车搭载12LOM447hLAG柴油机，另一辆则搭载7.7LM936G天然气发动机。为了进行这种比较，2辆车都装载了22t质量，并在停用的机场起飞跑道上行驶，搭载新开发的M936G天然气发动机的汽车减排降低了36%，但是达到相同的行驶速度所花的时间略长几秒。

8 结论和展望

Mercedes-Benz公司已拓展了OM936柴油机系列，增添了1种天然气机型。OM936G天然气发动机的开发在结构空间、连接尺寸、功率和运行特性与柴油机相当，因此具有很高的零部件通用化程度和适用性，其燃烧过程应用了EGR和米勒循环方法，只需要1个三效废气后处理装置，并具有大幅度的充量运动，其零部件不超过柴油机的极限温度，而且爆燃倾向较小并达到了较好的效率。为了获得这些性能，已优化了混合气准备和增压，并按汽油机运行要求匹配了传感器和执行器。在CO2排放、燃油耗，以及噪声和加速性等方面都显示出超出同类柴油机型的性能。

［1］Herrmann H-O，Nielsen B，Gropp C，u.a.Mittelschwerer NFZ-Motor von Mercedes-Benz［J］.MT2，2012，73（11）.

［2］Heil B，Schmid W，Teigeler M，u.a.Die neue Dieselmotorenbaureihe.für schwere nutzfahrzeuge von Daimler［J］.MTZ，2009，70（1）：16-25.

［3］Unruh R.Test mercedes citaro Euro 6：diesel auf hybrid-niveau［M］.lastauto omnibus 90，2013：50-54.

［4］Benz M，Hoffman K，Weirich M，u.a.Der neue Euro VI erdgasmotor für mittelschwere nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz［C］.35.Internationales Wiener Motorensymposium，2014.

［5］Schöffler T，Hoffmann K，Koch T.Stoichiometric natural gas combustion in a single cylinder SI engine and impact of charge dilution by means of EGR［C］.11thInternational Conference on Engines ＆ Vehicles，Capri，2013.

［6］Müller M，Streule T，Sumser S.u.a.Die asymmetrische 2-flutige turbine für schwere daimler NFZ-Motoren［C］.13.Auflade-technische Konferenz，Dresden，2008.

［7］Geiger J. Erdgas als kraftstoff für industriemotoren und schiffsantriebe：ein Beitrag zur reduktion der treibhausgasemissionen［C］.FEV Spectrum，Sonderausgabe Gasantriebe，Oktober 2013.